Le problème :

La spectrométrie de masse à accélérateur (AMS), une technique de datation radiométrique sensible, détecte dans certains cas des traces de carbone-14 radioactif dans les dépôts de charbon, des quantités qui semblent indiquer un âge d'environ 40 000 ans. Bien que ce résultat soit toujours trop ancien pour s'inscrire dans toute chronologie du créationnisme de la Terre jeune, il semblerait également représenter un problème pour l'échelle de temps géologique établie, car la pensée conventionnelle soutient que les dépôts de charbon ont été formés en grande partie, voire entièrement, durant le période carbonifère, il y a environ 300 millions d'années. Étant donné que la demi-vie du carbone-14 est de 5 730 ans, tout carbone-14 présent dans le charbon au moment de sa formation aurait dû depuis longtemps se désintégrer en produits filles stables. La présence de ¹⁴C dans le charbon est donc une anomalie qui nécessite une explication.

La solution :

Kathleen Hunt de TalkOrigins a envoyé un e-mail à un expert reconnu en AMS et en datation par le ¹⁴C. Les résultats de sa correspondance sont reproduits ci-dessous :

Bonjour, j'ai vraiment eu de la chance avec mon premier e-mail à un chercheur de l'AMS. J'ai reçu une réponse très informative tout de suite.

La version courte : le ¹⁴C dans le charbon est probablement produit de novo par la désintégration radioactive de la série d'isotopes de l'uranium-thorium qui se trouve naturellement dans les roches (et qui est présente à des concentrations variables dans différentes roches, d'où la variation de la teneur en ¹⁴C dans différents charbons). Des recherches sont en cours à cet instant même.

(L'hypothèse champignons/bactéries [selon laquelle le ¹⁴C dans le charbon est produit par des micro-organismes modernes vivant actuellement là-bas --NdR] pourrait également être plausible, mais ne contribuerait probablement à l'inflation des valeurs de ¹⁴C que si le charbon se trouve dans des conditions chaudes et humides exposées à l'air ambiant. Il existe également des preuves croissantes que les bactéries sont répandues dans les roches profondes, mais il n'est pas clair qu'elles puissent contribuer aux niveaux de ¹⁴C. Cependant, elles pourraient contribuer au ¹³C.)

La version beaucoup plus longue :

Le week-end dernier, j'ai envoyé un email au Dr Harry Gove, un expert en développement de la méthode AMS de datation du ¹⁴C. Je l'ai choisi pour le déranger avec mes emails car il avait récemment écrit quelques articles de revue intéressants sur la technique AMS dans la revue Radiocarbon. (Fondamentalement, il existe deux façons de mesurer le ¹⁴C : (1) compter les émissions radioactives, ou (2) une méthode plus récente, basée sur la séparation des différents isotopes du carbone selon leurs masses différentes via la spectrométrie de masse par accélérateur [AMS] et le comptage des atomes eux-mêmes.)

Le Dr Gove a répondu le lendemain même, tout comme l'un de ses collègues. Par un pur hasard, ils étudient actuellement cette question exacte. Il s'avère que l'origine et la concentration du ¹⁴C dans les combustibles fossiles sont importantes pour la communauté de la physique en raison de leur pertinence pour la détection des neutrinos solaires. Apparemment, l'un des nouveaux détecteurs de neutrinos, le détecteur Borexino en Italie, fonctionne en détectant de minuscules éclats de lumière visible produits par les neutrinos traversant une immense cuve souterraine de « fluide scintillant ». Le fluide scintillant est fabriqué à partir de combustibles fossiles tels que le méthane ou le pétrole (plus quelques autres ingrédients), et il scintille lorsqu'il est frappé par des particules bêta ou certains autres événements tels que les neutrinos. Le détecteur Borexino contient 800 tonnes de scintillant. Cependant, s'il y a des émetteurs bêta natifs dans le fluide lui-même, cette désintégration radioactive naturelle produira également des éclats de scintillation. (En fait, c'est l'usage plus courant du scintillant. J'utilise du scintillant tous les jours dans mon propre travail pour détecter le ¹⁴C et les hormones marquées au ³H. Mais je n'en utilise qu'un millilitre à la fois - le concept de 800 tonnes laisse vraiment perplexe !). Ainsi, la communauté de la physique s'est intéressée à savoir si et pourquoi les combustibles fossiles ont une radioactivité native. L'objectif est de trouver des combustibles fossiles ayant un rapport ¹⁴C/C de 10^-20 ou moins ; en dessous de ce seuil, l'activité des neutrinos peut être détectée de manière fiable. Le détecteur Borexino, et autres détecteurs de ce type prévus, doivent maintenir les émissions bêta natives en dessous de 1 comptage par tonne de fluide par semaine pour détecter de manière fiable les neutrinos solaires. (En comparaison, mes petits flacons d'hormones, ici dans mon laboratoire au-dessus du sol, ont un comptage de fond d'environ 25 comptages par minute pour 3,5 millilitres.)

Ainsi, les physiciens souhaitent trouver des combustibles fossiles contenant très peu de ¹⁴C. Au cours de ces travaux, ils ont découvert que les combustibles fossiles varient considérablement en ce qui concerne leur teneur en ¹⁴C. Certains en sont dépourvus de manière détectable ; d'autres en contiennent une quantité importante. Apparemment, cela corrèle le mieux avec la teneur en radioactivité naturelle des roches entourant les combustibles fossiles, en particulier les isotopes émetteurs de neutrons et de particules alpha de la série uranium-thorium. Le Dr Gove et ses collègues m'ont indiqué qu'ils pensent que les preuves disponibles démontrent que le ¹⁴C dans le charbon et autres combustibles fossiles provient entièrement d'une production nouvelle de ¹⁴C par la désintégration radioactive locale de la série uranium-thorium. De nombreuses études vérifient que les charbons varient considérablement en teneur en uranium-thorium, et que cela peut entraîner une teneur gonflée de certains isotopes pertinents pour la datation radiométrique (voir les résumés ci-dessous). Je comprends maintenant pourquoi les combustibles fossiles ne sont pas utilisés de manière routinière dans la datation radiométrique !

Le Dr Gove et ses collègues tentent actuellement d'améliorer la technologie AMS afin d'identifier certains combustibles fossiles qui ont une teneur extrêmement faible en ¹⁴C. Les techniques AMS actuelles ont une limite de détection de ¹⁴C/C d'environ 10^-15 (correspondant à 60 000 ans), et la recherche actuelle du Dr Gove, cette année, vise à améliorer la détection jusqu'à 10^-18 (110 000 ans).

Leur objectif ultime est de mesurer de manière fiable les rapports ¹⁴C/C jusqu'à des niveaux incroyablement bas de 10^-22 (180 000 ans). Cette technologie AMS serait ensuite utilisée pour identifier certains huiles ayant des niveaux de ¹⁴C très bas, et ces huiles seraient celles utilisées dans les détecteurs de neutrinos.

(Cette recherche fait partie du « Projet du carbone ancien » financé par le Programme d'astrophysique des particules et de la physique nucléaire de la National Science Foundation des États-Unis et également par le Conseil canadien de recherches en sciences naturelles et en génie. L'équipe présentera les résultats à ce jour ce mois de septembre lors de la 9e Conférence internationale sur la spectrométrie de masse par accélérateur au Japon.)

Enfin, j'ai également obtenu une copie de l'article de 1989 de David Lowe intitulé Radiocarbon. Il s'agit d'un court article. Voici un résumé :

(1) Le vieux charbon contient souvent un peu plus de ¹⁴C que prévu - au lieu d'avoir le rapport attendu de ¹⁴C/C à ou au-delà de la limite de détection de 10^-15 (correspondant à ~60 000 ans), il présente souvent un ¹⁴C/C détectable de 10^-14 ou 10^-13.

(2) hypothèse des éléments radioactifs : Lowe a brièvement évoqué la possibilité que des éléments radioactifs natifs puissent créer du nouveau ¹⁴C par désintégration radioactive. Il n'a discuté que du radium et a écarté cette hypothèse comme un effet majeur en se basant sur les faibles concentrations de radium dans le charbon (et pourtant, ma propre brève recherche a fait ressortir de nombreux résumés montrant que les concentrations de radionucléides varient considérablement dans le charbon - certains de ces documents sont antérieurs à 1989, ce qui m'empêche de comprendre pourquoi Lowe n'a pas abordé cette question plus soigneusement).

(3) hypothèse bactéries/champignons : Lowe fait ensuite un argument raisonnable en faveur des champignons et des bactéries – il existe des champignons capables de dégrader le lignite (Polyporus versicolor et Poria montiola), ainsi que des bactéries autotrophes « ressemblant à des thiobacilles » qui oxydent les pyrites dans le charbon, et il souligne que des bactéries ont été découvertes à 3 km de profondeur, vivant apparemment sur du granite. Lowe indique que l'activité fongique et bactérienne est particulièrement probable dans le charbon chaud et humide exposé à l'air, et il souligne que l'action microbienne n'a besoin de provoquer que le dépôt d'environ 0,1 % en poids de carbone moderne dans le charbon pour produire une apparente âge de 45 000 ans pour l'échantillon.

Depuis l'article de Lowe, de nombreux rapports supplémentaires ont été publiés concernant des bactéries profondément souterraines, qui semblent former un écosystème jusqu'alors inconnu en profondeur dans les roches et dans les pétroles (résumés ci-dessous). Il est probable que la plupart de ces bactéries n'interagissent jamais avec le « moderne » ¹⁴C de l'atmosphère. Mais certaines activités bactériennes profondes semblent pouvoir entraîner une augmentation des concentrations de ¹³C.

(4) Lowe passe ensuite à des recommandations concernant l'utilisation uniquement de charbon sec extrait récemment et stocké sous gaz inerte, ainsi qu'à d'autres recommandations relatives au choix du « fond » pour les laboratoires de datation au carbone 14.

Ainsi, il semble que la production in situ de nouveau ¹⁴C soit l'hypothèse la mieux étayée ; mais la recherche est en cours, et j'ai hâte de voir les résultats du projet Old Carbon et les nouvelles recherches sur les bactéries profondément souterraines.

Références

Une grande introduction générale à la datation au carbone-14 :
http://www.c14dating.com/

Informations générales sur les nombreux types de détecteurs de neutrinos :
www.slac.stanford.edu/gen/meeting/ssi/1997/wojcicki4.pdf

Une très bonne discussion approfondie des trois nouveaux détecteurs de neutrinos et de leur fonctionnement (défilez presque jusqu'à la fin pour lire à propos de Borexino) :
http://www.sns.ias.edu/~jnb/Papers/Popular/Nextgensolar/nextgensolar.html

Un diagramme du détecteur de neutrinos Borexino (Italie) - remarquez la blindage énorme pour le protéger des rayonnements provenant de la roche environnante:
http://almime.mi.infn.it/html/borexinod.html

Plus d'informations sur le détecteur Borexino de l'Université de Princeton :
http://pupgg.princeton.edu/~borexino/welcome.html

Le papier original qui a soulevé cette question du « vieux charbon » :
« Problèmes associés à l'utilisation du charbon comme source de matériau de fond exempt de ¹⁴C. » D.C. Lowe, Radiocarbon 31(2):117-120 1989.

Références récentes du projet en cours « Old Carbon Project » :
« Mesure des âges au carbone 14 très anciens par AMS. » 2001. A. E. Litherland et K. H. Purser. Dans : Proc. Conf. sur les aspects fondamentaux de la physique moderne, 2000, Luderitz, Namibie. Publié par World Scientific Publishing Company en 2001.

"Progress in AMS Research at IsoTrace." 2000. A. E. Litherland, R. P. Beukens, J. P. Doupe, W. E. Kieser, J. S. Krestow, J. C. Rucklidge, I. Tomski, G. C. Wilson et X-L. Zhao. Nucl. Instr. and Meth. B172:206-210.

"Systèmes de préparation par faisceau d'ions pour la réduction des isobars atomiques en spectrométrie de masse par accélérateur." 2001. A.E. Litherland, J.P. Doupe, I. Tomski, J. Krestow, X-L. Zhao, W.E. Kieser et R. P. Beukens. Dans : Proceedings of the 16th Int. Conf. on the Applications of Accelerators in Research and Industry, J. L. Duggan et I. L. Morgan (Éds.), Conf. Proc. of the Am. Inst. of Physics 575:390-393.

Sur les bactéries souterraines :
« Vie profonde dans la lente, très lente voie. » Richard A. Kerr, Science, 10 mai 2002 : 1056-1058.

Plus d'informations sur les bactéries souterraines:
"Une communauté microbienne souterraine basée sur l'hydrogène dominée par les méthanogènes." 2002. F.H. Chapelle, K. O'Neill, P.M. Bradley, B.A. Methe, S.A. Ciufo, L.L. Knobel et D.R. Lovley. Nature, 17 janvier 2002 ; 415 (6869) : 312-315.
RÉSUMÉ : La recherche de vie extraterrestre pourrait être facilitée si des écosystèmes peuvent être trouvés sur Terre qui existent dans des conditions analogues à celles présentes sur d'autres planètes ou lunes. Il a été proposé, sur la base de considérations géochimiques et thermodynamiques, que l'hydrogène d'origine géologique pourrait soutenir des communautés microbiennes souterraines sur Mars et Europe dans lesquelles les méthanogènes forment la base de l'écosystème. Ici, nous décrivons une communauté microbienne souterraine unique dans laquelle les Archaea consommatrices d'hydrogène et productrices de méthane sont largement plus nombreuses que les Bactéries. Plus de 90 % des séquences d'ADN ribosomal 16S récupérées à partir des eaux hydrothermales circulant à travers des roches ignées profondément enfouies dans l'Idaho sont liées à des micro-organismes méthanogènes utilisant l'hydrogène. La caractérisation géochimique indique que l'hydrogène géothermique, et non le carbone organique, est la source d'énergie principale pour cette communauté microbienne dominée par les méthanogènes. Ces résultats démontrent que des communautés méthanogènes basées sur l'hydrogène existent bien dans le sous-sol de la Terre, fournissant une analogie pour d'éventuels écosystèmes microbiens souterrains sur d'autres planètes.

Une nouvelle espèce de bactéries découverte dans des combustibles fossiles profonds et chauds :
"Isolation et caractérisation de Thermococcus sibiricus sp. nov. provenant d'un réservoir pétrolier à haute température en Sibérie occidentale." 2001. M.L. Miroshnichenko, H. Hippe, E. Stackebrandt, N.A. Kostrikina, N.A. Chernyh, C. Jeanthon, T.N. Nazina, S.S. Belyaev, et E.A. Bonch-Osmolovskaya. Extremophiles 5(2):85-91.
RÉSUMÉ : Des Archaea hyperthermophiles organotrophes anaérobies ont été isolés à partir de cinq des huit échantillons prélevés dans des puits pétroliers du réservoir pétrolier de Samotlor (profondeur, 1 799-2 287 m ; température, 60-84 °C). Trois souches ont été isolées en cultures pures et caractérisées phylogénétiquement sur la base de la comparaison des séquences du gène 16S rRNA. Toutes les souches appartenaient à une nouvelle espèce du genre Thermococcus, avec Thermococcus litoralis, Thermococcus aggregans, Thermococcus fumicolans et Thermococcus alcaliphilus comme parents les plus proches (plage de similarité des séquences, 97,2%-98,8%). La souche MM 739 a été étudiée en détail. Le nouvel isolat se développe sur des peptides mais pas sur des glucides. Le soufre élémentaire a un effet stimulant sur la croissance. La plage de température de croissance était comprise entre 40 °C et 88 °C, avec un optimum à 78 °C ; la plage de pH était de 5,8 à 9,0, avec un optimum autour de 7,3 ; et la plage de salinité était de 0,5 % à 7,0 %, avec un optimum à 1,8 %-2,0 %. Le temps de doublement dans des conditions de croissance optimales était d'environ 43 min. La teneur en G+C de l'ADN était de 38,4 mol %. La parenté ADN-ADN entre la souche MM 739 et T. litoralis était de 27 % ; entre la souche MM 739 et T. aggregans, elle était de 22 %. Sur la base des différences phénotypiques et génomiques avec les espèces connues de Thermococcus, la nouvelle espèce Thermococcus sibiricus est proposée. L'isolement d'un archée hyperthermophile d'un environnement souterrain profond, significativement éloigné des sources hydrothermales marines peu profondes ou abyssales, indique l'existence d'une biosphère souterraine habitée par une biota hyperthermophile indigène.

Exemple de teneur élevée en uranium dans certains charbons :
"Anomalies des abondances d'éléments traces dans les cendres de charbon du Tertiaire des East Garo Hills, Meghalaya, Inde." 1996. I.V. Sastry, M.S. Deshpande et K.K. Dwivedy. Journal of Atomic Mineral Science 4:75-79.
RÉSUMÉ : Les cendres de charbon du Tertiaire de Thakmari-Wathregithem, dans les East Garo Hills, enregistrent des concentrations anormales d'uranium (jusqu'à 0,219 % U₃O₈), de vanadium (jusqu'à 9,3 %), de chrome (jusqu'à 1,7 %), de cuivre (jusqu'à 1,17 %), de manganèse (jusqu'à 0,15 %), de cobalt (jusqu'à 1,15 %), de strontium (jusqu'à 0,38 %), de baryum (jusqu'à 0,30 %) et de plomb (jusqu'à 0,75 %). Les aspects économiques ainsi que les implications possibles de telles concentrations élevées sont brièvement évalués.

Exemple de teneur élevée en uranium dans les combustibles fossiles, qui déforme également d'autres méthodes de datation radiométriques :
"La géochimie des isotopes du plomb et les âges apparents uranium-plomb du minerai uranifère de type grès de Domiasiat, Meghalaya, Inde." 1998. R.R. Das, K.K. Dwivedy, T.R. Mahalingam et C.K. Mathews. Journal of the Geological Society of India 51(6) : 817-825.
RÉSUMÉ : L'abondance relative du plomb radiogénique varie selon les caractéristiques minéralogiques du minerai. Dans la matière charbonneuse à forte teneur en uranium, le plomb radiogénique représente plus de 80 % du total, alors que dans un minerai composite, jusqu'à 60 % du total correspond au plomb commun initial. Les « âges apparents » uranium-plomb se situent dans la fourchette de 25 Ma à 95 Ma et sont liés à l'assemblage minéralogique du minerai. La minéralisation uranium la plus récente, d'« âge apparent » -25 Ma, est associée aux fractions de matière charbonneuse contenant des quantités importantes de pyrite. Les variations de l'abondance et de la distribution des isotopes de plomb radiogénique, ainsi que les changements ordonnés des « âges apparents » des minéralisations uranium dans différents types de fractions minérales, sont attribués aux conditions favorables existantes dans le minerai permettant le déplacement de l'uranium depuis la roche, sa concentration préférentielle et sa rétention dans la matière charbonneuse, conduisant à une minéralisation uranium en plusieurs étapes.

Référence ancienne (mais toujours bonne) sur la variation de la teneur en uranium des charbons :
"Geology of uranium in coaly carbonaceous rocks." 1962. J.D. Vine. U. S. Geological Survey Professional Paper. Pages 113-170.
ABSTRACT : L'U est l'un de nombreux constituants inorganiques associés au charbon, au charbon impur, à l'argile charbonneuse et à l'argile carbonifère. Ces roches contiennent normalement moins de 0,0001 % d'U. Au moins 0,005 % et jusqu'à 0,1 % d'U sont connus pour se produire localement dans les sols tourbeux alpins-prairiaux, dans les lits d'argile carbonifère et sous forme de gisements de faible teneur importants dans le lignite et le charbon subbitumineux des régions des Rocheuses et des Grandes Plaines. Le charbon bitumineux et anthracite ne contient que rarement plus de 0,005 % d'U, même localement. Des tonnages économiquement significatifs de lignite impur et d'argile lignitique contiennent jusqu'à 0,1 % d'U dans au moins 14 zones aux États-Unis. Presque la moitié de ces zones se trouvent dans la région du lignite de Fort Union, dans le Dakota du Nord et du Sud occidentaux. La plupart de ces gisements se trouvent dans des lits minces de roches lignitiques impures qui ont été altérés en matériau terreux mou contenant environ 50 % d'humidité. L'U se trouve principalement comme constituant épigénétique des restes végétaux dans la roche charbonneuse, fixé chimiquement par échange cationique sur la matière humique. La localisation des gisements dépend de la disponibilité de l'U dans les solutions d'eau souterraine, de la structure et de la perméabilité de la roche adjacente, et surtout de la perméabilité et de la susceptibilité chimique de la roche charbonneuse. L'ensemble particulier de conditions nécessaire pour former un gisement économiquement significatif d'U dans les roches charbonneuses carbonifères est rarement rencontré et ne suit aucun modèle facilement prévisible.